數字演練：為CSST“太赫茲慧眼”打造虛擬星空

版權／CSST科學工作聯合中心

當人類仰望星空，我們看到的不僅是點點星光，更是宇宙歷史長河中遺留的無數秘密。近年來，從事件視界望遠鏡（EHT）捕捉到的首張黑洞照片，到阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）揭示的原行星盤精細結構，亞毫米波天文學正以其獨特的穿透力，為我們揭開宇宙中冷暗物質、恒星誕生乃至生命起源的層層迷霧。

然而，地球大氣層中的水汽會強烈吸收亞毫米波信號，使得地面觀測極為困難。因此，天文學家一直在尋找地球上最極致的觀測地點。

南極冰穹A，這片位于南極冰蓋最高點的嚴寒之地，因其極低的天空水汽含量，被公認為地表最接近太空的亞毫米波觀測窗口。2025年1月，由中國科學院紫金山天文臺牽頭的科研團隊，在第41次南極科學考察中，利用自主研發的60厘米口徑南極太赫茲探測器（ATE60），成功在冰穹A捕捉到了來自遙遠宇宙的微弱信號——他們首次完成了對兩個大質量恒星形成區（RCW 79、RCW 120）的碳原子（[CI]）和一氧化碳（CO（4-3））譜線成圖觀測。這一突破，不僅點亮了南極冰穹A亞毫米波天文學觀測的“第一束光”，更首次完整刻畫了星際介質中碳的三種形態（電離態、原子態、分子態）的轉化過程，為理解大質量恒星的反饋如何塑造宇宙化學循環提供了關鍵證據。

在這條探索之路上，中國正邁出更堅實的一步。一座全新的、屬于我們自己的空間“太赫茲慧眼”即將閃耀在太空——它就是CSST上搭載的太赫茲譜儀（Terahertz Spectrometer，TS）。與地面觀測相比，這臺亞毫米波太空望遠鏡將徹底擺脫大氣干擾，以卓越的靈敏度和分辨率，在0.41-0.51太赫茲（THz）的“黃金窗口”凝視宇宙。

然而，一臺頂尖的太空望遠鏡從誕生到產出科學成果，其背后是一場跨越數年的精密工程與數字演練。本文將帶您走近這臺“太赫茲慧眼”，并揭秘其正式工作前，一場至關重要的“數字演習”——觀測仿真技術。

/宇宙的“冷”與“暗”：

為何我們需要一臺

空間亞毫米波望遠鏡？

宇宙并非只有璀璨的恒星和星系，其普通物質（重子物質）中大部分以星際介質形式存在。這些低溫（通常僅為10-20開爾文，后簡稱K，約零下263至零下253攝氏度）的氣體云，是恒星的搖籃，它們輻射出的光線主要集中在亞毫米波和太赫茲波段。然而，地球大氣層中的水汽會吸收這些信號，使得地面觀測變得極為困難，仿佛隔著濃霧看風景，這也是我們要將望遠鏡送上太空的原因。

CSST搭載的太赫茲譜儀，就像一只在太空中凝視宇宙的“冷眼”，專注于捕捉0.41-0.51THz（對應波長590-730微米）這一關鍵頻段的信號。因為在這個“黃金窗口”里，隱藏著大量揭示宇宙奧秘的“密碼”。

追蹤宇宙碳循環。我們期待認識宇宙中的碳元素是如何從恒星內部誕生，散布到星際空間，最終匯聚成行星和生命的？TS將重點觀測中性碳原子（CI）在492 GHz的特征譜線。這條譜線如同宇宙碳元素的“指紋”，能幫助我們追蹤碳在銀河系和鄰近星系中的分布、運動和轉化過程，理解原子到分子的關鍵一步。

繪制銀河的“分子地圖”：在恒星形成區（如獵戶座KL星云）和晚型恒星周圍，存在著成分復雜的星際分子。TS憑借其極高的靈敏度，將開展一次大規模的分子譜線巡天，如同在銀河系中尋找各種有機和無機分子的“身份證”，揭示星際空間的化學多樣性，為理解生命起源的化學環境提供關鍵線索。

/亞毫米波背后的

“超導”魔法

要捕捉如此微弱的宇宙信號，常規技術無能為力。TS的核心在于其采用了基于氮化鈮的超導-絕緣-超導（SIS）混頻器技術?；谠摷夹g的混頻器可在更高的工作溫度下（8-10K，傳統超導混頻器工作溫度約4.2K）利用超導材料的非線性特性，能夠將微弱的宇宙信號（高頻）與本地振蕩器產生的穩定信號混合，降頻為一個更低、更易處理的中頻信號，同時能有效降低額外噪聲。

正是這種超導技術，賦予了TS前所未有的靈敏度，使其系統噪聲溫度低于300K，光譜分辨率優于100千赫茲（kHz），從而有能力探測到來自宇宙邊緣的微弱耳語。

/數字演練：

打造虛擬星空

將這樣一臺精密儀器送入太空后，其數據處理流程的可靠性至關重要。在軌運行期間，TS會源源不斷地產生原始數據，這些數據夾雜著儀器自身的噪聲、太空環境的影響，以及復雜的觀測模式信息。我們需要一套復雜的軟件系統——TS數據處理管線，將這些原始數據一步步校準、轉換，最終成為可供天文學家直接使用的科學數據。

但在望遠鏡發射升空前，我們如何確保這套“管線”萬無一失？答案就是——觀測仿真技術。這就像在電腦里搭建了一個完全虛擬的TS，并創建了一片“虛擬天空”，然后讓數據處理管線在這片虛擬天空下進行一場全面的“數字演練”。

這項仿真工作主要模擬了三個層面。

復刻“儀器個性”：每臺儀器都有其獨特的“性格”，比如增益的微小波動。仿真系統通過分析TS地面測試數據，利用艾倫方差分析（Allan Variance analysis）方法，量化評估了其16384個通道中每個通道的穩定性。然后，通過奧恩斯坦-烏倫貝克隨機過程（Ornstein–Uhlenbeck (OU) process）數學模型，在模擬數據中復刻了相當的儀器特性，讓虛擬的TS與真實的硬件擁有相似的“脾氣”。

營造“太空環境”：太空并非絕對的寂靜。仿真系統考慮了望遠鏡在軌道上運行時，進入地球陰影區或日照區時天線耦合系數的變化；模擬了宇宙射線在特定頻率產生的瞬時窄帶干擾；還疊加了2.7K的宇宙微波背景輻射噪聲，甚至連空間站的位置、速度和姿態等模擬的在軌信息都被精確導入，用以修正觀測目標因多普勒效應產生的頻率偏移。

編排“觀測劇本”：TS有兩種主要的觀測模式：單點觀測（Target mode）和“飛行”掃描觀測（On-The-Fly:OTF）。仿真系統像一個導演，根據預先設定的參數，精確編排了望遠鏡從指向目標、進行源區積分、切換至參考點、執行內部定標等每一步的時間序列，生成了逼真的“觀測劇本”和數據流。

通過將上述所有要素融合在一起，仿真系統最終生成了一份與真實在軌狀態高度一致的Level 0觀測數據文件。這些數據被送入正在開發的數據處理管線，進行校準和成圖。

驗證時刻：當研究人員將管線處理后的結果，與通過獨立算法（如冷熱負載Y因子法）計算的標準信號進行比對時，發現二者高度吻合。在對一片更大的天區進行掃描觀測模擬后，管線生成的譜線強度分布圖，也與著名的天文數據處理軟件（如GILDAS）的結果較好地匹配。

從數字宇宙到真實星辰這場精密的“數字演練”，不僅僅是測試，更是對中國空間站巡天望遠鏡太赫茲譜儀數據處理能力的全面檢閱。它證明了TS數據處理管線的準確性和穩健性，確保當真實的觀測數據從太空傳來時，我們的科學家能夠第一時間將其轉化為有效的科學數據，獲得可靠的科學成果。

如果說CSST是我們望向深邃宇宙的一雙眼睛，那么像TS觀測仿真這樣的技術，就是確保這雙眼睛足夠明亮、足夠清晰的幕后功臣。它讓我們在飛向星辰大海之前，已在數字宇宙中完成了預演。當這雙“太赫茲慧眼”真正在太空中睜開，它將以前所未有的視角，為我們揭示碳原子的宇宙之旅，描繪銀河的分子畫卷，為回答人類“我們從哪里來”這一終極命題，作出來自中國的重要貢獻。

—— 本文選自《中國國家天文》2026年第4期

來源：中國國家天文

編輯：楊樂多

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

如需轉載請聯系原公眾號